北京
▲視頻中部分內(nèi)容由AI生成
球狀閃電是自然界最神秘的電磁現(xiàn)象之一。多國科學家都曾試圖為其做出合理解釋，相關理論假說也層出不窮，但始終缺少可重復、可精確診斷的實驗驗證。
如今，這一科學懸案終于迎來關鍵突破。近日，中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊，首次成功激發(fā)并穩(wěn)定捕獲了與自然界球狀閃電高度相似的球形發(fā)光體，并證實其本質(zhì)為電磁孤子，為揭示球狀閃電之謎提供了重要的實驗證據(jù)。
01
球形發(fā)光體
何以穩(wěn)定存在
普通閃電轉(zhuǎn)瞬即逝，而球狀閃電卻能如“光球”一般懸浮、移動，長時間維持。兩百余年來，不斷有人目擊這種懸浮于空中的發(fā)光球體，其直徑通常為幾十厘米，壽命可達數(shù)秒乃至數(shù)分鐘，遠超普通閃電。
然而，球狀閃電的出現(xiàn)完全隨機、極難捕捉，兩大核心問題始終懸而未決：其能量何以維持？球形結構何以穩(wěn)定？
球狀閃電雖為燃燒發(fā)光的能量球體，卻不會瞬間耗散，也不猛烈炸開，反而能維持穩(wěn)定的形態(tài)。這種看似反常的穩(wěn)態(tài)，其根源在于它本質(zhì)上是一種能夠自我約束的穩(wěn)定波動結構——電磁孤子。
其形成機制可概括為：相對論強度的電磁波電離氣體形成等離子體，并將電子和離子向外排開，從而推出一個球形空腔；而球殼表面的高密度等離子體向內(nèi)擠壓。球形腔內(nèi)的輻射壓與球殼表面的熱壓隨著球體膨脹達成平衡，將電磁波牢牢“囚禁”在一個球形空間里。
▲類球狀閃電電磁孤子結構示意圖
02
實驗室造出
“類球狀閃電”
研究團隊經(jīng)過長期攻關，創(chuàng)新性地采用太赫茲表面波作為驅(qū)動手段，首次成功實現(xiàn)了“類球狀閃電”的激發(fā)與捕獲。
▲太赫茲電磁孤子的受控產(chǎn)生
團隊利用金屬絲與納米尖端的近場增強效應，將太赫茲表面波聚焦到約50nm的極小區(qū)域，獲得了超過10GV/m的相對論級強度太赫茲近場，為產(chǎn)生亞毫米尺度電磁孤子提供了高質(zhì)量驅(qū)動源。該強場被同步注入超音速氬氣噴流中，迅速電離氣體，并形成太赫茲電磁孤子。
實驗觀測到一個直徑百微米級、壽命百納秒級的穩(wěn)定發(fā)光球體，其光譜特征、膨脹動力學過程及自持演化特性均與電磁孤子理論模型高度吻合。該球體的行為特征與自然界中神秘莫測的球狀閃電表現(xiàn)出顯著的相似性，這一結果從實驗層面印證了理論學者對球狀閃電本質(zhì)的預言——電磁孤子。
該研究不僅為破解球狀閃電這一科學懸案提供了關鍵實驗證據(jù)，也揭示了極端條件下電磁能量約束的基礎物理機制，對強場太赫茲光子學、電磁能量存儲、大氣科學及地球物理學等相關領域具有重要的啟發(fā)意義。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-026-01899-y
來源：中國科學院上海光學精密機械研究所
責任編輯：閆文藝 王穎
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